EP0522303B2 - Kombinierter Strom- und Spannungswandler für eine metallgekapselte gasisolierte Hochspannungsanlage - Google Patents

Kombinierter Strom- und Spannungswandler für eine metallgekapselte gasisolierte Hochspannungsanlage Download PDF

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EP0522303B2
EP0522303B2 EP92109808A EP92109808A EP0522303B2 EP 0522303 B2 EP0522303 B2 EP 0522303B2 EP 92109808 A EP92109808 A EP 92109808A EP 92109808 A EP92109808 A EP 92109808A EP 0522303 B2 EP0522303 B2 EP 0522303B2
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EP
European Patent Office
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voltage
current
sensor
transformer according
voltage transformer
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EP92109808A
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EP0522303A3 (en
EP0522303A2 (de
EP0522303B1 (de
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Rudolf Dr. Baumgartner
Ken Yves Haffner
Andrzej Dr. Kaczkowski
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ABB Schweiz AG
Original Assignee
ABB Schweiz AG
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Publication date
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Application filed by ABB Schweiz AG filed Critical ABB Schweiz AG
Publication of EP0522303A2 publication Critical patent/EP0522303A2/de
Publication of EP0522303A3 publication Critical patent/EP0522303A3/de
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Publication of EP0522303B2 publication Critical patent/EP0522303B2/de
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/20—Instruments transformers
    • H01F38/22—Instruments transformers for single phase ac
    • H01F38/34—Combined voltage and current transformers
    • H01F38/36—Constructions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/142—Arrangements for simultaneous measurements of several parameters employing techniques covered by groups G01R15/14 - G01R15/26
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    • G01R15/18—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers
    • G01R15/181—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers using coils without a magnetic core, e.g. Rogowski coils

Definitions

  • the invention is based on one combined current and voltage converter for one metal-encapsulated gas-insulated high-voltage system with a current and a voltage sensor and one Current and voltage sensor downstream signal processing unit, where the current sensor is a toroidally wound coil and the voltage sensor contains a hollow cylindrical measuring electrode, and when installed in the metal encapsulation coil and measuring electrode concentrically a current conductor of the plant surround.
  • the invention relates to a state the technology, as it is for example from DE-A1-2325441 results.
  • One in Figure 1 of this patent publication shown and for installation in a metal encapsulated gas-insulated switchgear of certain transducers includes an electrical on a mounting bracket insulated metal pipe and current transformer core with applied secondary windings.
  • the metal pipe and the current transformer cores it supports with the applied secondary windings are coaxial with a current conductor in the system Arranged inside the metal encapsulation.
  • the metal one Rohr forms the high-voltage capacitor with the current conductor a capacitive divider, at the output a signal is pending which of the current conductors Voltage corresponds.
  • On the secondary windings signals can be tapped which correspond to the current flowing in the conductor.
  • the Current transformer cores have large dimensions and also mostly contain specifically heavy, ferromagnetic material. Therefore claimed the combined current and voltage converter after the state of the art not only a lot of space, but should also be special due to its high weight be stable. For good measurement accuracy to achieve, the capacitive divider also needs a long-term and temperature stable undervoltage capacitor.
  • a combined current and voltage converter for a gas insulated High voltage installation contains a current sensor Rogowski coil and as a voltage sensor a capacitive voltage divider with a high and a low voltage capacitor.
  • the Rogowski coil provides a time differential of one to be measured Current proportional signal from which the integration of the time course the electricity can be obtained.
  • the high voltage capacitor has a toroidal electrode 3, which of a longitudinally slotted and the Rogowski coil comprising metal foil is formed. This electrode is only on that of the high-voltage conductor 10 of the system opposite side fixed by means of an insulating part 8, 13 and has a radial Towards a very considerable thickness.
  • the geometry of the High-voltage capacitor and thus its capacity can as a result of the operation of the metal-enclosed gas-insulated system thermal and mechanical forces change significantly. moreover For dielectric and geometric reasons, the torus can change into Only extend a short distance in the direction of its axis so that the High voltage capacitor a relatively small capacity will have.
  • This Voltage divider can be used as a series connection of three capacitors (capacitive voltage divider) or alternatively as a series connection of two Capacitors and an ohmic resistor as well as one of these Resistor downstream integrator (capacitive-ohmic Voltage divider).
  • a device for the capacitive measurement of high DC voltages with a voltage divider which is from a high voltage capacitor as the first impedance and a parallel connection of one Low voltage capacitor and an ohmic resistor as the second Impedance is formed in an article by G.G.Wolzak et al. "Capacitive Measurements of High DC Voltages "in Review of Scientific Instruments 52 (10), Oct. 1981, New York, pages 1572-1574.
  • the invention as specified in claim 1 is based on the task of a combined Current and voltage transformers for encapsulated metal gas-insulated high-voltage systems indicate which It is inexpensive to build, small dimensions and yet with high measuring accuracy is excellent.
  • the combined current and voltage converter according to the invention is characterized in that it one versus the diameter of the metal encapsulation negligible low current and Has voltage sensor, which has no essential Impairment of the insulation distance almost anywhere in the interior of the encapsulation can be.
  • the combined current and voltage converter according to the invention is also characterized by a high measuring accuracy. This is because that an undervoltage capacitor is used comes, whose requirements regarding long-term and temperature stability as well as inductance and Low loss is low and that the output signals of the current and voltage sensors in the same way built-in integrators or in an Multiplexed controlled integration device especially can be evaluated favorably. About that in addition now have a change in dielectric constant the insulation of the current and voltage sensors and an instability of the existing cable capacity between current and voltage sensor and signal processing device have no influence more on the measurement accuracy of the current and voltage converter according to the invention.
  • FIG. 1 shows a part of a metal-encapsulated, gas-insulated high-voltage switchgear assembly containing a circuit breaker with switching points 1, 2 and a drive 3.
  • the tubular metal encapsulation which is at earth potential and is designated by the reference symbol 4
  • an insulating gas such as in particular SF 6 , of a few bar pressure.
  • SF 6 insulating gas
  • a current conductor 5 is arranged which extends along the tube axis thereof. This current conductor is supported on insulators, not shown, which are flanged in between encapsulation sections 6, 7, 7, 8, and 8, 9 and preferably effect isolation gas insulation.
  • Current and voltage sensors 10, 11 of combined current and voltage converters are provided in the interior of the metal encapsulation 4.
  • These sensors surround the current conductor 5 concentrically and have the same axis with the parts of the metal encapsulation 4 that hold them, ie a part of the encapsulation section 7 or the encapsulation section 8. If the metal encapsulation 4 contains more than one current conductor, the current and voltage sensors surround the assigned current conductor concentrically, but then do not have the same axis as the metal encapsulation.
  • the integrated in body not highlighted Current and voltage sensors 10, 11 have compared to the diameter of the tubular metal encapsulation 4 transverse to the pipe axis only a small one Dimension on. Therefore, the sensors, such as the current and voltage sensor 10 without essential Impairment of the insulation distance almost inserted anywhere in the metal encapsulation 4 and by appropriate measures, such as by jamming or screwing. But it is also like the current and voltage sensor 11, possible, the support body between to install two flanges of the metal encapsulation 4 and to be fixed gastight using screw connections. in this connection can - as can be seen from Fig. 1 - the fixed support body be integrated into an encapsulation section. Possibly but can support the current conductor 5 and insulator attached between two flanges Holder of the sensors can be used.
  • the structure and arrangement of the current and Detect voltage sensor 10 That in this Figure shows an enlarged part of the current and voltage sensor 10 essentially contains one - for example by radially outwards against the encapsulation part 7 guided screws 12 - in the metal enclosure jammed, annular support body 13, a toroidally wound annular coil 14, a hollow cylindrical Measuring electrode 15 and gas-tight from the Metal encapsulation 4 for the signal processing device, not shown guided, shielded signal lines 16, 17 and 18.
  • the support body 13 contains a current conductor 5 annular space 19 in which the coil 14th is arranged.
  • the room 19 is on both ends of two surrounding the current conductor 5 in a bead shape Shield electrodes 20, 21 limited.
  • the shielding electrode 21 has closable bores 22, 23 for receiving the screws 12 and one rest on the inner surface of the encapsulation part 7.
  • annular approach 24, which to form the Support body 13 fitted into the shielding electrode 20 is.
  • the approach 24 delimits the annular space 19th on its outer surface facing the metal encapsulation, whereas the room 19 on its the conductor 5 facing lateral surface of a flat, annular shielding electrode 25 is limited.
  • the shielding electrodes 25 is shown in FIG in an electrically conductive manner on the shielding electrode 21 and their opposite end face in electrical held on the shielding electrode 20 in an insulating manner.
  • the shielding electrodes forming a shield 26 20, 21 and 25 preferably consist of the same Material like the metal encapsulation, for example made of aluminum, and are on the same electrical potential like the metal encapsulation 4.
  • the Shield 26 protects the room 19 from Influence of electrical interference fields. When measuring in the system under operating conditions are therefore from the Coil 14 emitted almost error-free signals.
  • the coil 14 is in the manner of a Rogowski coil an annular core 27 made of non-ferromagnetic, predominantly isotropic material wrapped.
  • the Core 27 has cut substantially in the axial direction rectangular cross section and is compared to its radius and its axial extent in radial direction only very small.
  • a Radius of, for example, 140 mm and an axial It has a longitudinal extension of, for example, 100 mm typically a thickness of only 5 mm. hereby are asymmetries in the magnetic field of the measured Current balanced and at the same time becomes the influence unwanted external fields minimized.
  • the the Coil 14 receiving space 19 is annular Insulated body 28 through which the coil 14 on the support body 13 and at the same time the shielding electrode 25 and the measuring electrode 15 are fixed.
  • the signal processing device shown in FIG. 3 as a block diagram has two entrances 29, 30 on.
  • the input 29 are via the signal lines 16, 17 the output signals of the one acting as a current sensor Part of the current and voltage sensor 10 supplied.
  • the input 30 are via signal lines 31 and 32 the output signals of the voltage sensor acting part of the current and voltage sensor 10 fed.
  • the coil designed like a Rogowski coil 14 provides the change over time in the conductor 5 flowing current proportional signals which due to the suitably arranged shield 26 almost free from the influences of unwanted external fields and of transients occurring in the system Operations are. These signals act via surge protection 33 and one when the system is operating with alternating voltages of 50 Hz typically one Passband between 0.05 Hz and 5 kHz Bandpass 34 regarding the receipt of one of his dynamic work area to the Bandpass 34 adapted analog-digital converter 35.
  • the signals digitized in the analog-digital converter 35 are subsequently in a preferably digital IIR filter formed integrator 36 into one the signal corresponding to the current to be determined integrated. This signal can then be transmitted via a downstream digital-to-analog converter 37 be converted for an analog display 38 and for further processing to other functional units 39 of the system can be forwarded.
  • the input 30 will be the time change the high voltage applied to the current conductor 5 proportional Signals fed. These signals have an effect a protection and filter element 40 and signal lines 41, 42 to a corresponding to the analog-to-digital converter 35 trained analog-digital converter 43.
  • the signals digitized in the analog-digital converter 43 are subsequently in a preferably digital IIR filter formed integrator 44 into one the signal to be determined corresponding to the voltage integrated. This signal can then be transmitted via a downstream digital-to-analog converter 44 can be converted for the analog display 38 and for further processing to the other functional units 39 of the system can be forwarded. How represented by a dashed line, the signals output by the analog-digital converter 43 can also be processed in the integrating device 36. For this it is only necessary that by multiplexing this integrator the output signals the analog-digital converter 35 and 43 nested in time to the input of the integrating device 36 be performed.
  • FIG. 4 It can be seen from FIG. 4 how signals corresponding to the change in time of the high voltage present on the current conductor 5 can be generated.
  • the measuring electrode 15 After installing the current and voltage sensor 10 in the system with the current conductor 5, the measuring electrode 15 clearly forms a coupling capacitor for the electrical field emanating from the current conductor 5 and corresponding to the applied high voltage, and with the shield 26 and the metal encapsulation 4 the processing and accuracy of the coupled-in measurement signal improving auxiliary capacitor.
  • the coupling capacitor and auxiliary capacitor have capacitance values C 1 and C 2 and correspond to the high-voltage capacitor 46 and the low-voltage capacitor 47 of a capacitive voltage divider, into whose high-voltage capacitor 46 a voltage U 1 corresponding to the system voltage and into whose low-voltage capacitor 47 a voltage U 2 converted in accordance with the division ratio is coupled.
  • Typical values for C 1 and C 2 are, for example, some pF and some nF.
  • a particularly low-inductance, low-loss and long-term and temperature-stable low-voltage capacitor 47 is required. Such a capacitor is extremely complex.
  • the change over time in the current conductor 5 High voltage proportional signals can as can be seen from FIG. 4, this is achieved particularly easily if the part acting as a voltage sensor of the current and voltage sensor 10 an ohmic Resistor 48 has one end with the Measuring electrode 15 and its other end with the Metal encapsulation 4 and the shield 26 in electrical conductive connection.
  • the one above the resistance 48 falling and over the signal lines 31, 32 of the signal processing device shown in FIG supplied voltage signals correspond in a good approximation of the change over time on the conductor 5 high voltage applied.
  • the low-voltage capacitor with the capacitance value C 2 has the following function when the voltage sensor is designed with the ohmic resistor 48: It limits the high-frequency interference signals occurring in the metal encapsulation 4 as a result of transient processes such as switching operations or lightning impulses. At the same time, it reduces the voltage that occurs at the output of the voltage sensor and is forwarded by the signal lines 31, 32 to the signal processing device.
  • the cut-off frequency f g is set such that a useful band NB required for a distortion-free transfer function of the voltage sensor is present around the network frequency of the system voltage, for example 50 Hz, which is marked with the reference symbol f n .
  • the ones that appear at the output of the voltage sensor and the input 30 of the signal monitoring device supplied voltage signals are in Protection and filter element 40 still further limited.
  • the Protection and filter element 40 contains a low-pass filter trained filter element and surge protection.
  • the low pass is designed as an RC link with one ohmic resistance 49 and a capacitance 50. Parallel to the capacitance 50 of the RC element is one to the Connection point of resistor 49 and capacitor 50 connected non-linear resistor 51, for example based on metal oxide.
  • With the reference numeral 52 is the unavoidable capacity of the signal lines.

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Description

TECHNISCHES GEBIET
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem kombinierten Strom- und Spannungswandler für eine metallgekapselte gasisolierte Hochspannungsanlage mit einem Strom- und einem Spannungssensor und einer Strom- und Spannungssensor nachgeschalteten Signalverarbeitungseinheit, bei dem der Stromsensor eine torusförmig gewickelte Spule und der Spannungssensor eine hohlzylindrische Messelektrode enthält, und bei dem nach Einbau in die Metallkapselung Spule und Messelektrode einen Stromleiter der Anlage konzentrisch umgeben.
STAND DER TECHNIK
Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich beispielsweise aus DE-A1-2325441 ergibt. Ein in Fig.1 dieser Patentveröffentlichung dargestellter und zum Einbau in eine metallgekapselte gasisolierte Schaltanlage bestimmter Messwandler enthält ein an einem Montageansatz elektrisch isoliert befestigtes metallenes Rohr sowie Stromwandlerkeme mit aufgebrachten Sekundärwicklungen. Das metallene Rohr und die von ihm getragenen Stromwandlerkerne mit den aufgebrachten Sekundärwicklungen sind koaxial mit einem Stromleiter der Anlage im Inneren der Metallkapselung angeordnet. Das metallene Rohr bildet mit dem Stromleiter den Oberspannungskondensator eines kapazitiven Teilers, an dessen Ausgang ein Signal ansteht, welches der am Stromleiter anliegenden Spannung entspricht. An den Sekundärwicklungen können Signale abgegriffen werden, welche dem im Stromleiter fliessenden Strom entsprechen. Die Stromwandlerkerne weisen grosse Abmessungen auf und enthalten zudem überwiegend spezifisch schweres, ferromagnetisches Material. Daher beansprucht der kombinierte Strom- und Spannungswandler nach dem Stand der Technik nicht nur viel Raum, sondern sollte aufgrund seines hohen Gewichtes zudem besonders stabil ausgebildet sein. Um eine gute Messgenauigkeit zu erzielen, benötigt der kapazitive Teiler ausserdem einen langzeit- und temperaturstabilen Unterspannungskondensator.
Ein kombinierter Strom- und Spannungswandler für eine gasisolierte Hochspannungsanlage nach DE - A - 35 44 508 enthält als Stromsensor eine Rogowskispule und als Spannungssensor einen kapazitiven Spannungsteiler mit einem Hoch- und einem Niederspannungskondensator. Die Rogowskispule liefert ein dem zeitlichen Differential eines zu messenden Stroms proportionales Signal, aus dem durch Integration der zeitliche Verlauf der Stroms gewonnen werden kann. Der Hochspannungskondensator weist eine torusförmige Elektrode 3 auf, welche von einer längsgeschlitzten und die Rogowskispule umfassenden Metallfolie gebildet ist. Diese Elektrode ist lediglich auf der vom hochspannungsführenden Leiter 10 der Anlage abgewandten Seite mittels eines Isolierteils 8, 13 fixiert und weist in radialer Richtung eine ganz erhebliche Dicke auf. Die Geometrie des Hochspannungskondensators und damit auch seine Kapazität können sich während des Betriebs der metallgekapselten gasisolierten Anlage infolge thermischer und mechanischer Kräfte ganz wesentlich verändern. Zudem kann sich der Torus aus dielektrischen und geometrischen Gründen in Richtung seiner Achse nur über eine geringe Distanz erstrecken, so dass der Hochspannungskondensator eine verhältnismässig kleine Kapazität aufweisen wird.
Aus DE - A - 21 62 723 ist es bekannt, Spannungen an einer Hochspannungsleitung mit einem Spannungsteiler zu ermitteln. Dieser Spannungsteiler kann als Reihenschaltung von drei Kondensatoren (kapazitiver Spannungsteiler) oder alternativ als Reihenschaltung von zwei Kondensatoren und einem ohmschen Widerstand sowie einer diesem Widerstand nachgeschalteten Integriervorrichtung (kapazitiv-ohmscher Spannungsteiler) ausgebildet sein.
Eine Vorrichtung zum kapazitiven Messen von hohen Gleichstromspannungen mit einem Spannungsteiler, welcher von einem Hochspannungskondensator als erster Impedanz und einer Parallelschaltung eines Niederspannungskondensators und eines ohmschen Widerstands als zweiter Impedanz gebildet ist, ist in einem Aufsatz von G.G.Wolzak et al. "Capacitive Measurements of High DC Voltages" in Review of Scientific Instruments 52(10), Oct. 1981, New York, Seiten 1572- 1574 offenbart. Beim Messen wird die Kapazität des Hochspannungskondensators verändert und so eine leichter messbare Wechselspannung simuliert, welche in der zweiten Impedanz differenziert und in einer der zweiten Impedanz nachgeschalteten Integriervorrichtung integriert wird.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen kombinierten Strom-und Spannungswandler für metallgekapselte gasisolierte Hochspannungsanlagen anzugeben, welcher kostengünstig zu erstellen ist, geringe Abmessungen aufweist und dennoch durch eine hohe Messgenauigkeit ausgezeichnet ist.
Der kombinierte Strom- und Spannungswandler nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass er einen gegenüber dem Durchmesser der Metallkapselung vernachlässigbar gering bemessenen Strom- und Spannungssensor aufweist, welcher ohne wesentliche Beeinträchtigung des Isolationsabstandes nahezu an beliebigen Stellen ins Innere der Kapselung eingebaut werden kann. Der kombinierte Strom- und Spannungswandler nach der Erfindung zeichnet sich zudem durch eine hohe Messgenauigkeit aus. Dies ist dadurch bedingt, dass ein Unterspannungskondensator zum Einsatz kommt, dessen Anforderungen hinsichtlich Langzeit- und Temperaturstabilität sowie Induktivitäts- und Verlustarmut gering sind, und dass die Ausgangssignale des Strom- und des Spannungssensors in gleichartig aufgebauten Integriervorrichtungen oder in einer im Multiplexbetrieb angesteuerten Integriervorrichtung besonders günstig ausgewertet werden können. Darüber hinaus haben nun eine Änderung der Dielektrizitätskonstanten der Isolation des Strom- und des Spannungssensors und eine Unstabilität der stets vorhandenen Kabelkapazität zwischen Strom- und Spannungssensor und Signalverarbeitungsvorrichtung keinen Einfluss mehr auf die Messgenauigkeit des Strom-und Spannungswandlers nach der Erfindung.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt:
Fig.1
eine Aufsicht auf einen zentral geführten Schnitt durch ein Teil einer metallgekapselten gasisolierten Hochspannungsschaltanlage mit Strom- und Spannungssensoren von kombinierten Strom- und Spannungswandlern nach der Erfindung,
Fig.2
eine Aufsicht auf einen durch Umrandung markierten Teil eines Strom- und Spannungssensors nach Fig.1,
Fig.3
ein Blockschaltbild einer einem Strom- und Spannungssensor gemäss den Figuren 1 und 2 nachgeschalteten Signalverarbeitungsvorrichtung.
Fig.4
ein zum Teil als Ersatzschaltbild dargestelltes Schaltschema des als Spannungssensor ausgeführten Teils des Strom- und Spannungsensors nach Fig.2 und eines Teils der Signalverarbeitungsvorrichtung gemäss Fig. 3, und
Fig.5
eine graphische Darstellung der Übertragungsfunktion des Messsignals des Spannungssensors gemäss Fig.4.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig.1 ist ein einen Leistungsschalter mit Schaltstellen 1, 2 und einem Antrieb 3 enthaltender Teil einer metallgekapselten, gasisolierten Hochspannungsschaltanlage dargestellt. Hierbei ist die auf Erdpotential befindliche und mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnete rohrförmige Metallkapselung mit einem Isoliergas, wie insbesondere SF6, von einigen Bar Druck gefüllt. Im Inneren der Metallkapselung 4 ist ein längs deren Rohrachse erstreckter Stromleiter 5 angeordnet. Dieser Stromleiter ist auf nicht dargestellten, zwischen Kapselungsabschnitten 6,7 bzw. 7,8 bzw. 8,9 eingeflanschten und vorzugsweise eine Isoliergasabschottung bewirkenden Isolatoren abgestützt. Im Inneren der Metallkapselung 4 sind Strom- und Spannungssensoren 10, 11 von kombinierten Strom- und Spannungswandlern vorgesehen. Diese Sensoren umgeben den Stromleiter 5 konzentrisch und weisen mit den sie haltenden Teilen der Metallkapselung 4, d.h. einem Teil des Kapselungsabschnittes 7 bzw. dem Kapselungsabschnitt 8, gleiche Achse auf. Enthält die Metallkapselung 4 mehr als einen Stromleiter, so umgeben die Strom- und Spannungssensoren den zugeordneten Stromleiter zwar konzentrisch, weisen dann jedoch nicht die gleiche Achse auf wie die Metallkapselung.
Die in nicht extra hervorgehobene Tragkörper integrierten Strom- und Spannungssensoren 10, 11 weisen gegenüber dem Durchmesser der rohrförmigen Metallkapselung 4 quer zur Rohrachse lediglich eine geringe Abmessung auf. Daher können die Sensoren, wie etwa der Strom-und Spannungssensor 10, ohne wesentliche Beeinträchtigung des Isolationsabstandes nahezu an jedem beliebigen Ort in die Metallkapselung 4 eingeschoben und durch geeignete Massnahmen, wie etwa durch Verklemmen oder Verschrauben, fixiert werden. Es ist aber auch, wie beim Strom- und Spannungssensor 11 dargestellt, möglich, den Tragkörper zwischen zwei Flanschen der Metallkapselung 4 einzubauen und mittels Verschraubungen gasdicht zu fixieren. Hierbei kann - wie aus Fig. 1 ersichtlich ist - der fixierte Tragkörper in einen Kapselungsabschnitt integriert sein. Gegebenenfalls kann aber ein den Stromleiter 5 stützender und zwischen zwei Flanschen befestigter Isolator zur Halterung der Sensoren eingesetzt werden.
Aus Fig.2 sind Aufbau und Anordnung des Strom-und Spannungssensors 10 zu erkennen. Das in dieser Figur vergrössert dargestellte Teil des Strom- und Spannungssensors 10 enthält im wesentlichen einen - beispielsweise durch radial nach aussen gegen das Kapselungsteil 7 geführte Schrauben 12 - in der Metallkapselung verklemmten, ringförmigen Tragkörper 13, eine torusförmig gewickelte ringförmige Spule 14, eine hohlzylindrische Messelektrode 15 sowie gasdicht aus der Metallkapselung 4 zur nicht dargestellten Signalverarbeitungsvorrichtung geführte, abgeschirmte Signalleitungen 16, 17 und 18.
Der Tragkörper 13 enthält einen den Stromleiter 5 ringförmig umgebenden Raum 19, in dem die Spule 14 angeordnet ist. Der Raum 19 ist an seinen beiden Stirnseiten von zwei den Stromleiter 5 wulstförmig umgebenden Abschirmelektroden 20, 21 begrenzt. Die Abschirmelektrode 21 weist verschliessbare Bohrungen 22, 23 zur Aufnahme der Schrauben 12 sowie einen auf der Innenfläche des Kapselungsteils 7 aufliegenden. ringförmigen Ansatz 24 auf, welcher unter Bildung des Tragkörpers 13 in die Abschirmelektrode 20 eingepasst ist. Der Ansatz 24 begrenzt den ringförmigen Raum 19 an seiner der Metallkapselung zugewandten Mantelfläche, wohingegen der Raum 19 an seiner dem Stromleiter 5 zugewandten Mantelfläche von einer flächenhaften, ringförmigen Abschirmelektrode 25 begrenzt ist. Die eine Stirnseite der Abschirmelektroden 25 ist in elektrisch leitender Weise an der Abschirmelektrode 21 und deren gegenüberliegende Stirnseite in elektrisch isolierender Weise an der Abschirmelektrode 20 gehalten. Die eine Abschirmung 26 bildenden Abschirmelekroden 20, 21 und 25 bestehen bevorzugt aus dem gleichen Material wie die Metallkapselung, beispielsweise aus Aluminium, und befinden sich auf dem gleichen elektrischen Potential wie die Metallkapselung 4. Die Abschirmung 26 schützt den Raum 19 gegenüber dem Einfluss elektrischer Störfelder. Beim Messen in der Anlage unter Betriebsbedingungen werden daher von der Spule 14 nahezu fehlerfreie Signale abgegeben.
Die Spule 14 ist nach Art einer Rogowskispule auf einen ringförmigen Kern 27 aus nichtferromagnetischem, überwiegend isotropem Material gewickelt. Der Kern 27 hat in axialer Richtung geschnitten im wesentlichen rechteckigen Querschnitt und ist im Vergleich zu seinem Radius sowie zu seiner axialen Erstreckung in radialer Richtung nur sehr gering bemessen. Bei einem Radius von beispielsweise 140 mm und einer axialen Längserstreckung von beispielsweise 100 mm weist er typischerweise eine Dicke von nur 5 mm auf. Hierdurch werden Unsymmetrien im Magnetfeld des zu messenden Stromes ausgeglichen und wird zugleich der Einfluss unerwünschter Fremdfelder minimiert. Der die Spule 14 aufnehmende Raum 19 ist mit einem ringförmigen Isolierkörper 28 ausgefüllt, durch den die Spule 14 am Tragkörper 13 und zugleich die Abschirmelektrode 25 sowie die Messelektrode 15 fixiert sind.
Die in Fig. 3 als Blockschaltbild dargestellte Signalverarbeitungsvorrichtung weist zwei Eingänge 29, 30 auf. Dem Eingang 29 werden über die Signalleitungen 16, 17 die Ausgangssignale des als Stromsensor wirkenden Teils des Strom- und Spannungssensors 10 zugeführt. Dem Eingang 30 werden über Signalleitungen 31 und 32 die Ausgangssignale des als Spannungssensor wirkenden Teils des Strom- und Spannungssensors 10 zugeführt.
Die nach Art einer Rogowskispule ausgeführte Spule 14 liefert der zeitlichen Änderung des im Stromleiter 5 fliessenden Stromes proportionale Signale, welche aufgrund der geeignet angeordneten Abschirmung 26 nahezu frei von den Einflüssen unerwünschter Fremdfelder und von in der Anlage auftretenden, transienten Vorgängen sind. Diese Signale wirken über einen Überspannungsschutz 33 und einen bei Betrieb der Anlage mit Wechselspannungen von 50 Hz typischerweise einen Durchlassbereich zwischen 0,05 Hz und 5 kHz aufweisenden Bandpass 34 auf den Eingang eines hinsichtlich seines dynamischen Arbeitsbereiches an den Bandpass 34 angepassten Analog-Digital-Wandlers 35. Die im Analog-Digital-Wandler 35 digitalisierten Signale werden nachfolgend in einer vorzugsweise als digitales IIR- Filter ausgebildeten Integriervorrichtung 36 zu einem dem zu ermittelndem Strom entsprechenden Signal integriert. Dieses Signal kann dann über einen nachgeschalteten Digital-Analog-Wandler 37 für eine Analoganzeige 38 umgewandelt werden und zur weiteren Verarbeitung an andere Funktionseinheiten 39 der Anlage weitergeleitet werden.
Dem Eingang 30 werden der zeitlichen Änderung der am Stromleiter 5 anliegenden Hochspannung proportionale Signale zugeführt. Diese Signale wirken über ein Schutz- und Filterelement 40 und Signalleitungen 41, 42 auf einen entsprechend dem Analog-Digital-Wandlers 35 ausgebildeten Analog-Digital-Wandler 43. Die im Analog-Digital-Wandler 43 digitalisierten Signale werden nachfolgend in einer vorzugsweise als digitales IIR- Filter ausgebildeten Integriervorrichtung 44 zu einem der zu ermittelnden Spannung entsprechenden Signal integriert. Dieses Signal kann dann über einen nachgeschalteten Digital-Analog-Wandler 44 für die Analoganzeige 38 umgewandelt werden und zur weiteren Verarbeitung an die anderen Funktionseinheiten 39 der Anlage weitergeleitet werden. Wie durch eine gestrichelte Linie dargestellt, können die vom Analog-Digital-Wandler 43 ausgegebenen Signale auch in der Integriervorrichtung 36 verarbeitet werden. Hierzu ist es lediglich erforderlich, dass durch Multiplexbetrieb dieser Integriervorrichtung die Ausgangssignale der Analog-Digital-Wandler 35 und 43 zeitlich verschachtelt an den Eingang der Integriervorrichtung 36 geführt werden.
Aus Fig.4 ist zu erkennen, wie der zeitlichen Änderung der am Stromleiter 5 anliegenden Hochspannung entsprechende Signale erzeugt werden können. Ersichtlich bildet die Messelektrode 15 nach dem Einbau des Strom- und Spannungssensors 10 in die Anlage mit dem Stromleiter 5 einen Koppelkondensator für das vom Stromleiter 5 ausgehende und der anliegenden Hochspannung entsprechende elektrische Feld und mit der Abschirmung 26 sowie der Metallkapselung 4 einen die Verarbeitung und Genauigkeit des eingekoppelten Messignals verbessernden Hilfskondensator. Koppelkondensator und Hilfskondensator weisen Kapazitätswerte C1 und C2 auf und entsprechen dem Hochspannungskondensator 46 und dem Niederspannungskondensator47 eines kapazitiven Spannungsteilers, in dessen Hochspannungskondensator 46 eine der Anlagenspannung entsprechende Spannung U1 und in dessen Niederspannungskondensator 47 eine entsprechend dem Teilerverhältnis gewandelte Spannung U2 eingekoppelt wird. Typische Werte für C1 und C2 sind beispielsweise einige pF und einige nF. Zur Erzielung einer Spannung U2 hoher Genauigkeit bedarf es eines besonders induktivitäts- und verlustarmen sowie langzeit- und temperaturstabilen Niederspannungskondensators 47. Ein solcher Kondensator ist äusserst aufwendig. Die Verwendung eines aufwendigen Kondensators lässt sich jedoch vermeiden, wenn im Strom- und Spannungssensor der zeitlichen Änderung der am Stromleiter 5 anliegenden Hochspannung proportionale Signale gebildet werden. Durch diese Massnahme wird zugleich erreicht, dass vom Strom- und vom Spannungssensor jeweils Signale ausgegeben werden, die den zeitlichen Änderungen zu messender Grössen entsprechen (erste Ableitung von Strom bzw. Spannung nach der Zeit) und daher durch gleichartig wirkende Integriervorrichtungen besonders einfach und sicher verarbeitet werden können.
Der zeitlichen Änderung der am Stromleiter 5 anliegenden Hochspannung proportionale Signale können wie aus Fig.4 ersichtlich ist besonders einfach erreicht werden, wenn der als Spannungssensor wirkende Teil des Strom- und Spannungssensors 10 einen ohmschen Widerstand 48 aufweist, dessen eines Ende mit der Messelektrode 15 und dessen anderes Ende mit der Metallkapselung 4 sowie der Abschirmung 26 in elektrisch leitender Verbindung steht. Die über dem Widerstand 48 abfallenden und über die Signalleitungen 31, 32 der in Fig.3 dargestellten Signalverarbeitungsvorrichtung zugeführten Spannungssignale entsprechen in guter Näherung der zeitlichen Änderung der am Stromleiter 5 anliegenden Hochspannung.
Der Niederspannungskondensator mit dem Kapazitätswert C2 hat bei Ausbildung des Spannungssensors mit dem ohmschen Widerstand 48 folgende Funktion zu erfüllen: Er begrenzt in der Metallkapselung 4 infolge transienter Vorgänge, wie Schalthandlungen oder Blitzstösse, auftretende hochfrequente Störsignale. Gleichzeitig reduziert er die Spannung die am Ausgang des Spannungssensor auftritt und von den Signalleitungen 31, 32 an die Signalverarbeitungsvorrichtung weitergeleitet wird.
Die vorstehende Wirkung des Spannungssensors wird dann erreicht, wenn der vom Stromleiter 5 und der Messelektrode 15 gebildete Hochspannungskondensator 46, der von der Messelektrode 15 und der Metallkapselung 4 sowie der Abschirmung 26 des Stromsensors gebildete Niederspannungskondensator 47 und der ohmsche Widerstand 48 derart bemessen sind, dass oberhalb einer vorgegebenen Grenzfrequenz fg die Amplituden der vom Spannungssensors ausgegebenen Signale unterhalb eines vorgegebenen Amplitudengrenzwertes liegen. Dies ist in Fig.5 verdeutlicht, in welcher die durch das Verhältnis der am Spannungssensor anliegenden Spannung U1 und der vom Spannungssensor abgegebenen Spannung U2 bestimmte Übertragungsfunktion des Spannungssensors in Abhängigkeit von der Frequenz f dargestellt ist. Ersichtlich ist die Grenzfrequenz durch folgende Beziehung bestimmt: fg = 1/2πR1(C1+C2), wobei
  • fg die Grenzfrequenz in Hertz,
  • R1 den Wert des ohmschen Widerstandes 48 in Ohm und
  • C1 und C2 die Werte des Hoch- und des Niederspannungskondensators 46, 47 in Farad bedeuten.
    • Hierbei wird die Grenzfrequenz fg derart gelegt, dass um die mit dem Bezugszeichen fn markierte Netzfrequenz der Anlagenspannung von beispielsweise 50 Hz ein für eine verzerrungsfreie Übertragungsfunktion des Spannungssensors erforderliches Nutzband NB vorhanden ist.
    Die am Ausgang des Spannungssensor auftretenden und dem Eingang 30 der Signalüberwachungsvorrichtung zugeführten Spannungssignale werden im Schutz- und Filterelement 40 noch weiter begrenzt. Das Schutz- und Filterelement 40 enthält ein als Tiefpass ausgebildetes Filterelement und einen Überspannungsschutz. Der Tiefpass ist als RC-Glied ausgebildet mit einem ohmschen Widerstand 49 und einer Kapazität 50. Parallel zur Kapazität 50 des RC-Gliedes ist ein an den Verbindungspunkt von Widerstand 49 und Kapazität 50 angeschlossener nichtlinearer Widerstand 51, beispielsweise auf der Basis von Metalloxid, geschaltet. Mit dem Bezugszeichen 52 ist die nicht zu vermeidende Kapazität der Signalleitungen bezeichnet. Mit einem solchermassen ausgebildeten Schutz- und Filterelement 40 können gegebenenfalls am Eingang 30 auftretende Spannungsspitzen bzw. unerwünscht hohe Frequenzen über die Widerstände 49 und 51 bzw. das den Widerstand 49 und die Kapazität aufweisende und als Tiefpass wirkende RC-Glied begrenzt werden.

    Claims (10)

    1. Kombinierter Strom- und Spannungswandler für eine metallgekapselte, gasisolierte Hochspannungsanlage mit einem Strom- und Spannungssensor (10, 11) und einer dem Strom- und Spannungssensor (10, 11) nachgeschalteten Signalverarbeitungsvorrichtung, bei dem der Stromsensor eine torusförmig gewickelte Spule (14) und der Spannungssensor eine hohlzylindrische Messelektrode (15) enthält, und bei dem nach Einbau in die Metallkapselung (4) Spule (14) und Messelektrode (15) einen Stromleiter (5) der Anlage konzentrisch umgeben, wobei der Stromsensor derart ausgebildet ist, dass an seinem Ausgang ein der zeitlichen Änderung des zu ermittelnden Stromes entsprechendes Signal ansteht, und wobei die Signalverarbeitungsvorrichtung mindestens eine Integriervorrichtung (36, 44) aufweist, auf welche das Ausgangssignal des Stromsensors wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungssensor einen ohmschen Widerstand (48) aufweist, dessen eines Ende mit der Messelektrode (15) und dessen anderes Ende mit der Metallkapselung (4) sowie einer Abschirmung (26) des Stromsensors in elektrisch leitender Verbindung steht, derart, dass an seinem Ausgang ein der zeitlichen Änderung der zu ermittelnden Spannung entsprechendes Signal ansteht, und dass das Ausgangssignal des Spannungssensors auf die mindestens eine Integriervorrichtung (36, 44) der Signalverarbeitungsvorrichtung wirkt.
    2. Strom- und Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (14) nach
    3. Strom- und Spannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Stromleiter (5) und der Messelektrode (15) gebildeter Hochspannungskondensator (46), ein von der Messelektrode (15) und der Metallkapselung (4) sowie der Abschirmung (26) des Stromsensors gebildeter Niederspannungskondensator (47) und der ohmsche Widerstand (48) derart bemessen sind, dass oberhalb einer vorgegebenen Grenzfrequenz die Amplituden der am Ausgang des Spannungssensors anstehenden Signale unterhalb eines vorgegebenen Amplitudengrenzwertes liegen.
    4. Strom- und Spannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfrequenz durch folgende Beziehung bestimmt ist: fg = 1/2πR1(C1+C2), wobei
      fg die Grenzfrequenz in Hertz,
      R1 den Wert des ohmschen Widerstandes (48) in Ohm und
      C1 und C2 die Werte der Hoch- und der Niederspannungskapazität (46, 47) in Farad bedeuten.
    5. Strom- und Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Ausgänge von Strom- und Spannungssensor (10, 11) und den Eingang der mindestens einen Integriervorrichtung (36, 44) jeweils ein als Tiefpass oder Bandpass (34) ausgebildetes Filterelement und ein Überspannungsschutz (33, 40) geschaltet sind.
    6. Strom- und Spannungswandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefpass oder Bandpass dem ohmschen Widerstand (48) nachgeschaltet ist.
    7. Strom- und Spannungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefpass als RC-Glied ausgebildet ist.
    8. Strom- und Spannungswandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Kapazität (50) des RC-Gliedes ein nichtlinearer Widerstand (51) geschaltet ist.
    9. Strom- und Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Integriervorrichtung (36) zeitlich verschachtelt mit den Ausgangssignalen des Strom- und des Spannungssensors (10, 11) beaufschlagbar ist.
    10. Strom-und Spannungswandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Integriervorrichtung (36, 44) ein digitales IIR-Filter enthält.
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    Tietze, Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, 4. Auflage, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York 1978, Seiten 466-468 und 611 †

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